EP2834903A1 - Elektrisch angetriebenes zweirad - Google Patents

Elektrisch angetriebenes zweirad

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Publication number
EP2834903A1
EP2834903A1 EP13717730.9A EP13717730A EP2834903A1 EP 2834903 A1 EP2834903 A1 EP 2834903A1 EP 13717730 A EP13717730 A EP 13717730A EP 2834903 A1 EP2834903 A1 EP 2834903A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
permanent magnets
return ring
electric machine
stator
wheeler
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13717730.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Stubner
Stefan Demont
Norbert Martin
Michel Dietrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2834903A1 publication Critical patent/EP2834903A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an electrically driven bicycle with at least one electric machine, which has a stationary stator and a rotatably mounted rotor, wherein the rotor has a return ring with a plurality of permanent magnets arranged distributed over the circumference.
  • the invention relates to a method for operating such a two-wheeler.
  • Bikes of the type mentioned are known from the prior art.
  • electric scooters are operated in the power class up to 4 kW, sometimes up to 11 kW, often with gearless wheel hub motors on the rear wheel.
  • These motors are usually brushless, electrically commutated motors.
  • These have an axle-fixed stator with a generally high number of slots.
  • the cooperating with the stator rotor is directly part of the rim or rim fixed and typically has a, arranged on an iron yoke ring of permanent magnets, in particular rare earth magnets in a high number of poles.
  • the permanent magnets are usually on the
  • Anchor range can be operated usable. As soon as the voltage induced in the stator phases by the rotation of the rotor reaches the maximum available phase voltage from the operating voltage source, the Electric motor off and the torque drops to zero, whereby the maximum possible speed is limited / is.
  • the bicycle according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that it is on the one hand cheaper to produce, since it can be dispensed with the use of expensive rare earth magnets. Due to the peculiarity of the motor topology according to the invention, the usable torque and speed range of the two-wheeler can be extended without significant increase in the electric machine.
  • the bicycle according to the invention is characterized in that the permanent magnets of the electric machine spoke-shaped with alternating tangential
  • Magnetization are arranged in the return ring.
  • Spoke-shaped arrangement are adjacent permanent magnets radially to the axis of rotation of the rotor and thereby aligned in a V-shape to each other in the material of the return ring, whereby the electric machine is given a pronounced salience or gracefulness of the magnetic fluxes of the rotor. Due to the pronounced salience, it is now possible by suitable pre- or Nachkommut ist throughout
  • the bicycle is driven in accordance with such a way that by pre- or Nachkommut réelle if necessary
  • the stator facing radial end surfaces of the permanent magnets are at least substantially, preferably completely free. Because of that between neighboring
  • Permanent magnet material of the return ring is the above-described Salienz guaranteed.
  • a preferred topology with twelve slots and five pairs of poles has a particularly high winding factor with 94% and leads to a sufficiently low for the target application cogging torque.
  • the spoke-like arrangement of the permanent magnets leads to a radially effective in the stator direction flux concentration with the already mentioned pronounced salience.
  • the radial end faces of the permanent magnets facing away from the stator are at least substantially, preferably completely free. This will provide a conclusion about the return material of the
  • both the radial end faces facing the stator and the radial end faces facing away from the stator lie in the shape of a spoke
  • Permanent magnets is essentially interrupted and through the
  • Return ring segments between adjacent permanent magnets is formed.
  • the return ring preserves the function of the magnetic yoke for the stator flux through this division, but are characterized by the
  • Return ring segment run to the next, are formed, wherein preferably an air gap between the connecting webs and the radial end surfaces remains.
  • the webs are designed so narrow that they quickly magnetically saturate, so that the leakage flux losses are minimized.
  • each befindliches between adjacent permanent magnets are provided.
  • the permanent magnets are particularly preferably ferrite magnets. These are cheaper to obtain and therefore lead to a cheaper training of the bicycle.
  • the introduction of the pronounced salience of the electrical machine preferably designed as an electrically commutated synchronous motor in conjunction with field-oriented control allows a low-cost, sensorless rotor position detection by measuring the motor impedance, for example by injecting a high-frequency signal into the stator and measuring the inductive response.
  • a transmission in particular a spur gear or planetary gear
  • the gearbox can be easily integrated into the bicycle due to the special engine topology, which has only a small size.
  • the integration of an optimized for the traction application spur gear can thus be displayed.
  • a spur gear with intermediate shaft is proposed for this application, since with such a space with relatively less effort twice high reductions can be represented technically robust.
  • the transmission can be designed switchable multi-speed.
  • the electric machine has a power electronics for their control.
  • the power electronics in a drive wheel bearing Einarmschwinge the two-wheeler is arranged.
  • the swing arm can be used directly by the power electronics as a cooling surface.
  • the method according to the invention for operating the two-wheeler described above is characterized in that the electrical machine is actuated with a pre-commutation or a post-commutation in order to generate an additional reluctance torque.
  • Figure 5 shows the electric machine in a perspective
  • FIG. 6 shows a comparison of virtual inductances of the electrical
  • Figure 7 shows a drive unit of the bicycle in a
  • Figure 1 shows a perspective view of an electrically driven bicycle 1, the front wheel 2 steerable and the rear wheel 3 by an electric machine 4, which is connected by a gear 5 to the rear wheel 3, is drivable.
  • the electric machine 4 has a fixed stator 6 and a rotatably mounted rotor 7, wherein the rotor 7 is arranged and aligned coaxially with the stator 6.
  • the rotor 7 is provided with a plurality of abutting permanent magnets, typically rare earth magnets, which are arranged on a return ring 9.
  • the usual construction has the
  • stator 6 When the electric machine is actuated (without pre-commutation), the stator 6 does not generate a flux component in the d-direction.
  • the flows in the d and q direction as well as the engine torque M M i are calculated in the case of a three-phase motor, for example:
  • L d , L q represent the instantaneous, virtual stator inductances in the d and q directions
  • Z p corresponds to the number of pole pairs
  • ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ the respective flux components in the d and q directions and the permanent magnets PM is.
  • the virtual inductances L d and L q result in a motor topology after backward calculation of a ring integral along the considered
  • the permanent magnets of the electric machine 4 are at least partially buried, as shown in Figures 4 and 5, arranged. Due to the advantageous arrangement of the permanent magnets within the permanent magnets 8 bearing return ring 9, provide the
  • L d and L q describe instantaneous, virtual inductances, these are typically also dependent on the operating state of the electric machine 4, in particular its speed.
  • Wrd advantageously chosen for the thus formed electric machine 4 from the point of view of the rotor-fixed coordinate system zeitinditionr phase advance angle , which does not disappear the L d component, then the operating variables flow ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ , phase voltage U d , U q , Torque M M i, electrical rotation speed Q L , number of pole pairs Z p and sum of the phase currents l a , l b , l c as follows:
  • the torque is added due to the at least partially buried arrangements of the permanent magnets 8 in the return ring 9, an additional torque component, the so-called reluctance torque (L d - L q ) * l d * l q .
  • MTPA Max Torque per Ampere
  • MTPV Max Torque per Volt
  • the measurable terminal inductance L T of a 3-phase motor is calculated using the virtual inductances with the arrangement shown in FIG. 3 as follows:
  • ⁇ describes the rotor's electrical rotor position angle 7. If the salience is pronounced, the measured terminal inductance oscillates with the cosine of the position angle between 3/2 L d and 3/2 L q .
  • an additional sign recognition for distinguishing between the intervals 0 - ⁇ and ⁇ - 2 ⁇ suffices.
  • the ambiguity of the cosine can also without this by means of suitable iteration method
  • Rotor position angle detection are performed.
  • Figures 4 and 5 show an advantageous embodiment of the electric machine 4 of the two-wheeler 1, wherein Figure 4, the electric machine 4 in a sectional view and Figure 5 shows the electric machine in a perspective view.
  • Figure 4 shows the electric machine 4, which is coupled via the gear 5 with the rim of the rear wheel 3.
  • the electric machine 4 has a stationary stator 6 and a rotatably mounted rotor 7.
  • the rotor 7 has a return ring 9, in which permanent magnets 8 are arranged in a spoke shape with an alternating magnetization direction, so that an in
  • permanent magnets 8 are aligned radially with respect to the axis of rotation of the rotor 7.
  • the rotor 7 is designed such that the
  • Permanent magnets 8 are arranged radially exposed with their stator facing radial end surfaces 13 and facing away from the stator radial end surfaces 14. The permanent magnets 8 are thus not radially surrounded by the material of the return ring 9. This prevents magnetic leakage flux.
  • the return ring 9 is in the present
  • the return ring segments 12 may be connected, for example by gluing with the permanent magnet 8 respectively. To strengthen the return ring 9 constructive, it is also conceivable between adjacent
  • connecting web which connects the adjacent return ring segments together, and in each case the intervening
  • Permanent magnets radially overlapped. It is important to ensure that between the permanent magnet and the connecting webs in each case an air gap or an air pocket remains to avoid or reduce magnetic leakage flux.
  • the Connecting webs designed so narrow that they saturate magnetically fast.
  • the permanent magnets 8 are formed as ferrite magnets. Due to the selected topology with, for example, twelve slots and five pole pairs, a particularly high winding factor is achieved with 94%, which leads to sufficiently low cogging torques for the target application in two-wheeled vehicle 1.
  • FIG. 6 shows in the diagram a comparison of the difference between the inductances L d -L q when using ferrite magnets (FM) and rare-earth magnets (SEM) for the permanent magnets 8 via the rotational speed n of the electrical system
  • Permanent magnet 8 results in that the difference of the inductances (L d -L q ) ⁇ 0. Since a pre-commutation by definition negative phase currents l d and positive phase currents l produces q, is obtained for the torque of the electric machine in the field weakening range by pre-commutation a usable, positive additional moment of (L d -L q) * l d * l q.
  • the electric machine has a positive
  • Spur gear with intermediate shaft also provides the necessary decoupling between initiated wheel forces of the vehicle from the path of
  • the transmission 5 can be designed switchable multi-speed.
  • the introduction of a freewheel for the simple rolling operation of the two-wheeler 1 is just as possible as the effective in both directions toothing, which allows the recuperation of the braking energy.
  • the electric machine 4 can also be connected to other identification transformers and can also be provided in a frame-mounted.
  • the electric machine 4 could be connected to the drive wheel 3 via a corresponding gear or a traction mechanism drive.
  • FIG. 7 shows the already indicated in Figure 1 Radfeste mounting the
  • FIG. 7 shows the formation of the drive system of the two-wheeler 1 with the electric machine 4 and the integrated transmission 5, directly with a
  • One-arm 10 of the two-wheeled are connected.
  • the power electronics of the electric machine 4 is advantageously integrated in the single-arm rocker 10 and uses this as a cooling element or as a cooling surface.
  • the proposed topology of the electric machine 4, in conjunction with the integrated transmission 5, leads to such high efficiencies and thus to low power dissipation densities that it is possible to dispense with cooling fins on the electric machine 4 itself, as a result of which the design of the Einarmschwinge or swing arm considerable degrees of freedom be granted.
  • the drive unit as shown in FIG. 7, in the form presented here, by combining the motor topology with high salience and the control method adapted thereto by means of pre-commutation and post-commutation, fulfills the requirements for a drive in a minimal amount

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Zweirad (1) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4), die einen ortsfesten Stator (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (7) aufweist, wobei der Rotor (7) einen Rückschlussring (9) mit einer Vielzahl daran über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten (8) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete speichenförmig mit alternierender tangentialer Magnetisierung in dem Rückschlussring (9) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Zweirads.

Description

Elektrisch angetriebenes Zweirad
Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Zweirad mit wenigstens einer elektrischen Maschine, die einen ortsfesten Stator und einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei der Rotor einen Rückschlussring mit einer Vielzahl daran über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Zweirads.
Stand der Technik
Zweiräder der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere Elektroroller werden in der Leistungsklasse bis 4 kW, teilweise auch bis 11 kW, häufig mit getriebelosen Radnaben-Motoren am Hinterrad betrieben. Bei diesen Motoren handelt es sich in der Regel um bürstenlose, elektrisch kommutierte Motoren. Diese weisen einen achsfesten Stator mit einer in der Regel hohen Nutzahl auf. Der mit dem Stator zusammenwirkende Rotor ist unmittelbar Bestandteil der Felge beziehungsweise felgenfest angeordnet und weist typischerweise einen, auf einem eisernen Rückschlussring angeordneten Kranz von Permanentmagneten, insbesondere Seltene-Erde-Magneten in hoher Polzahl auf. Die Permanentmagneten sind dabei üblicherweise auf der
Innenseite des Rückschlussrings seitlich aneinander anliegend angeordnet. Die verwendete Menge an Seltene-Erde-Magneten trägt den höchsten Anteil zu den Gesamtkosten des Antriebs bei.
Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist es, dass der Motor nur im
Ankerstellbereich nutzbar betrieben werden kann. Sobald die durch die Drehung des Rotors in den Statorphasen induzierte Spannung die maximal aus der Betriebsspannungsquelle verfügbare Phasenspannung erreicht, regelt sich der Elektromotor ab und das Drehmoment fällt ab gegen Null, wodurch die mögliche Maximaldrehzahl begrenzt wird/ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Zweirad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass es zum einen kostengünstiger herstellbar ist, da auf die Nutzung der teuren Seltene-Erden-Magneten verzichtet werden kann. Durch die Besonderheit der erfindungsgemäßen Motortopologie lässt sich der nutzbare Drehmoment- und Drehzahlbereich des Zweirads ohne wesentliche Vergrößerung der elektrischen Maschine erweitern. Das erfindungsgemäße Zweirad zeichnet sich dadurch aus, dass die Permanentmagnete der elektrischen Maschine speichenförmig mit alternierender tangentialer
Magnetisierung in dem Rückschlussring angeordnet sind. Durch die
speichenförmige Anordnung sind benachbarte Permanentmagnete radial zur Rotationsachse des Rotors und dadurch V-förmig zueinander in dem Material des Rückschlussrings ausgerichtet, wodurch der elektrischen Maschine eine ausgeprägte Salienz beziehungsweise Schenkligkeit der magnetischen Flüsse des Rotors verliehen wird. Durch die ausgeprägte Salienz ist es nunmehr möglich, durch geeignete Vor- oder Nachkommutierung im gesamten
Betriebsbereich ein zusätzliches Reluktanzmoment zu nutzen beziehungsweise zu erzeugen. Ferner eröffnet sich die Möglichkeit der aktiven Feldschwächung durch Vorkommutierung, wodurch der nutzbare Drehzahlbereich über den reinen Ankerstellbereich hinaus beträchtlich nach oben erweitert wird und auch in dem nunmehr nutzbaren Feldschwächbereich ein zusätzliches Reluktanzmoment nutzbar gemacht wird. Vorzugsweise wird das Zweirad entsprechend derart angesteuert, dass durch Vor- oder Nachkommutierung bei Bedarf ein
zusätzliches Reluktanzmoment erzeugt wird. Darüber hinaus fallen nur geringe Herstellungskosten an, da insbesondere auf das teure Seltene-Erden-Magnet- Material verzichtet werden kann. Zwischen benachbarten Permanentmagneten liegen somit Rückschlussringsegmente, die magnetisch mit den
Permanentmagneten in Verbindung stehen. Besonders bevorzugt liegen die dem Stator zugewandten radialen Endflächen der Permanentmagnete jeweils zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig frei. Aufgrund dessen, dass sich zwischen benachbarten
Permanentmagneten Material des Rückschlussrings befindet, wird die zuvor beschriebene Salienz gewährleistet.. Eine bevorzugte Topologie mit zwölf Nuten und fünf Polpaaren weist mit 94% einen besonders hohen Wickelfaktor auf und führt zu einem für die Zielanwendung ausreichend geringen Rastmoment. Die speichenförmige Anordnung der Permanentmagnete führt zu einer radial in Statorrichtung wirksamen Flusskonzentration mit der bereits erwähnten ausgeprägten Salienz. Besonders bevorzugt liegen die dem Stator abgewandten radialen Endflächen der Permanentmagnete zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig frei. Dadurch wird ein Rückschluss über das Rückschlussmaterial des
Rückschlussring auf der Innenseite des Rotors verhindert. Vorzugsweise liegen sowohl die dem Stator zugewandten radialen Endflächen als auch die dem Stator abgewandten radialen Endflächen der speichenförmig ausgerichteten
Permanentmagnete frei, so dass der Rückschlussring im Bereich der
Permanentmagnete im Wesentlichen unterbrochen ist und durch die
Rückschlussringsegmente zwischen benachbarten Permanentmagneten gebildet wird. Der Rückschlussring bewahrt durch diese Teilung die Funktion des magnetischen Rückschlusses für den Statorfluss, jedoch werden durch die
Teilung magnetische Streuflüsse zwischen Vor- und Rückseite einzelner
Magnete vermieden, die der gewünschten Flusskonzentration andernfalls nicht mehr zur Verfügung stünden. Ist es konstruktiv notwendig, so können die dem Stator zugewandten oder die von dem Stator abgewandten radialen Endflächen von Überdeckungsstegen des Rückschlussrings, die von einem
Rückschlussringsegment zum Nächsten verlaufen, gebildet werden, wobei vorzugsweise ein Luftspalt zwischen den Verbindungsstegen und den radialen Endflächen verbleibt. Die Stege sind dabei derart schmal ausgebildet, dass sie schnell magnetisch sättigen, so dass die Streufluss Verluste minimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten befindliches
Rückschlussringsegment des Rückschlussrings bündig mit den dem Stator zugewandten Flächen der Permanentmagnete abschließt. Dadurch wird die Akustik der elektrischen Maschine verbessert, da weniger oder nur geringe
Windgeräusche im Betrieb auftreten. Besonders bevorzugt sind die Permanentmagnete Ferrit-Magnete. Diese sind kostengünstiger zu beschaffen und führen daher zu einer kostengünstigeren Ausbildung des Zweirads.
Besonders bevorzugt sind die Permanentmagnete in dem Rückschlussring in Umfangsrichtung gesehen, also auf den einander zugewandten Seiten benachbarter Permanentmagnete, vollständig mit Material des Rückschlussrings bedeckt, um eine gute Magnetflusskonzentration zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Einführung der ausgeprägten Salienz der vorzugsweise als elektrisch kommutierter Sychronmotor ausgebildeten elektrischen Maschine in Verbindung mit Feld-orientierter Regelung eine wenig aufwändige, geberlose Rotorlageerfassung durch Messung der Motorimpedanz, beispielsweise mittels Injektion eines hochfrequenten Signals in den Stator und Messung der induktiven Antwort.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Zweirads ist vorgesehen, dass zwischen der elektrischen Maschine und einem Antriebsrad des Zweirads ein Getriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe oder Planetenradgetriebe, geschaltet ist. Das Getriebe kann aufgrund der besonderen Motortopologie, die nur eine geringe Baugröße aufweist, problemlos in das Zweirad integriert werden. Insbesondere die Integration eines für die Traktionsanwendung optimierten Stirnradgetriebes lässt sich somit darstellen. Die Kombination mit einem Planetenradgetriebe ist zwar ebenfalls möglich, jedoch wird für diese Anwendung ein Stirnradgetriebe mit Zwischenwelle vorgeschlagen, da mit einem solchen bei vergleichbarem Bauraum mit erheblich geringerem Aufwand doppelt hohe Untersetzungen technisch robust dargestellt werden können. Das Getriebe kann schaltbar mehrgängig ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise weist die elektrische Maschine eine Leistungselektronik zu ihrer Ansteuerung auf. Besonders bevorzugt ist die Leistungselektronik in einer das Antriebsrad tragenden Einarmschwinge des Zweirads angeordnet. Die Einarmschwinge kann dabei durch die Leistungselektronik direkt als Kühlfläche genutzt werden. Natürlich ist es auch denkbar das Antriebsrad an einer
Zweiarmschwinge vorzusehen und die Leistungselektronik entsprechend in den einen, in den anderen oder in beide Arme der Zweiarmschwinge zu integrieren. Die vorgeschlagene Topologie der elektrischen Maschine in Verbindung mit dem integrierten Getriebe führt zu hohen Wirkungsgraden und damit zu geringen Verlustleistungsdichten des Zweirads, so dass zumindest in den meisten Anwendungsfällen auf Kühlrippen an der elektrischen Maschine selbst verzichtet werden kann, wodurch dem Design einer Einarm- oder Zweiarmschwinge erhebliche Freiheitsgrade eingeräumt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Zweirads zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Maschine mit einer Vorkommutierung oder einer Nachkommutierung angesteuert wird, um ein zusätzliches Reluktanzmoment zu erzeugen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden. Dazu zeigen
Figur 1 ein Zweirad in einer perspektivischen Darstellung,
Figuren 2A und 2B die Salienz von magnetischen Flüssen einer elektrischen
Maschine des Zweirads,
Figur 3 ein Ersatzschaltbild virtueller Induktivitäten der
elektrischen Maschine,
Figur 4 eine vorteilhafte Ausführung der elektrischen Maschine in einer Schnittdarstellung,
Figur 5 die elektrische Maschine in einer perspektivischen
Darstellung,
Figur 6 ein Vergleich virtueller Induktivitäten der elektrischen
Maschine und
Figur 7 eine Antriebseinheit des Zweirads in einer
perspektivischen Darstellung. Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein elektrisch angetriebenes Zweirad 1 , dessen Vorderrad 2 lenkbar und dessen Hinterrad 3 durch eine elektrische Maschine 4, die durch ein Getriebe 5 mit dem Hinterrad 3 verbunden ist, antreibbar ist. Die elektrische Maschine 4 weist einen festen Stator 6 sowie einen drehbar gelagerten Rotor 7 auf, wobei der Rotor 7 koaxial zu dem Stator 6 angeordnet und ausgerichtet ist.
Üblicherweise ist der Rotor 7 mit einer Vielzahl von aneinander anliegenden Permanentmagneten, typischerweise Seltene-Erden-Magneten, versehen, die an einem Rückschlussring 9 angeordnet sind. Die übliche Bauweise weist den
Nachteil auf, dass bekannte Rotoren so gut wie keine ausgeprägte Salienz aufweisen. Der Begriff der Salienz, der aus dem Englischen„salience" kommt, soll in Bezug auf Figuren 2A und 2B näher erläutert werden. Im Rotor-festen Koordinatensystem einer permanenterregten Synchronmaschine beschreibt die sogenannte q-Achse die Richtung eines durch den Statorstrom erzeugten, magnetischen Flusses eines Rückschlussrings 9, senkrecht zur Erregung, die von den Permanentmagneten 8 erzeugt wird, wie in Figuren 2A und 2B dargestellt. Die d-Achse bezeichnet die Richtung des magnetischen Flusses, der primär durch die Permanentmagnete 8 erzeugt wird.
Bei Ansteuerung der elektrischen Maschine (ohne Vorkommutierung) erzeugt der Stator 6 keinen Flussanteil in d-Richtung. Die Flüsse in d- und q-Richtung sowie das Motormoment MMi berechnen sich bei einem zum Beispiel dreiphasigen Motor gemäß:
Ψ - / . / + Ψ - ψ I
1 d ~ d PM PM I ld=0
MM = ~ zp . PM . iq
Wobei Ld, Lq die instantanen, virtuellen Stator-Induktivitäten in d- und q-Richtung darstellen, Zp der Polpaarzahl entspricht, und Ψά , Ψη und ΨΡΜ der jeweilige Flussanteil in d- und q-Richtung sowie der Permanentmagnete PM ist. Die virtuellen Induktivitäten Ld und Lq ergeben sich in einer Motor-Topologie nach Rückwärtsberechnung aus einem Ringintegral entlang der betrachteten
Magnetflüsse. Da die magnetische Permeabilität ferromagnetischer Materialien nahezu gleich der von Luft ist, ist ersichtlich, dass bei Motoren mit
Permanentmagneten in der typischen Oberflächenanordnung die virtuellen Induktivitäten Ld und Lq nahezu gleich sind, wobei es unerheblich ist, ob zwischen den Permanentmagneten ein Luftspalt vorgehalten wird oder ob wie üblich die Permanentmagnete seitlich aneinander anliegend aufgebracht werden.
Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete der elektrischen Maschine 4 zumindest bereichsweise vergraben, wie in Figuren 4 und 5 dargestellt, angeordnet. Durch die vorteilhafte Anordnung der Permanentmagnete innerhalb des die Permanentmagnete 8 tragenden Rückschlussrings 9, liefern die
Ringintegrale unterschiedliche Werte für Ld und Lq. Da Ld und Lq instantane, virtuelle Induktivitäten beschreiben, sind diese typischerweise auch abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine 4, insbesondere von deren Drehzahl.
Wrd vorteilhafterweise für die derart ausgebildete elektrische Maschine 4 ein aus Sicht des Rotor-festen Koordinatensystems zeitinvarianter Phasenvoreilwinkel gewählt, der die Ld-Komponente nicht verschwinden lässt, dann ergeben sich die Betriebsgrößen Fluss Ψά, Ψ ΨΡΜ, Phasenspannung Ud ,Uq , Drehmoment MMi, elektrische Rotationsgeschwindigkeit QL, Anzahl der Polpaare Zp und Summe der Phasenströme la, lb, lc wie folgt:
dt
\J = R · / + 1 + Ω ψ
q 1 q dt
Mm = j Zp XvpM - lq + (Ld - Lq)- ld - lq) Ω, = Z · Ω ia + +ic=
Die Formeln gelten bei einer Sinus-Kommutierung der elektrischen Maschine 4. Eine elektrische unaufwändigere Block-Kommutierung würde den Gleichungen höhere harmonische Terme hinzufügen, die grundsätzlichen Zusammenhänge jedoch nicht ändern.
Zum Drehmoment addiert sich aufgrund der zumindest bereichsweise vergrabenen Anordnungen der Permanentmagnete 8 in dem Rückschlussring 9 ein zusätzlicher Drehmomentanteil, das sogenannte Reluktanz-Moment (Ld- Lq)*ld*lq. Durch Optimierung der Ansteuerung, zum Beispiel nach MTPA (Max Torque per Ampere = maximales Drehmoment pro Ampere) oder MTPV (Max Torque per Volt (maximales Drehmoment pro Volt)) ist es nun möglich, für jeden statischen oder dynamischen Betriebszustand des Motors einen Satz optimierter Ansteuerparameter zu wählen. Gleichzeitig addiert sich zur Permanent-Errregung der elektrischen Maschine eine Komponente Ld*ld. Bei der Vorkommutierung (ld<0) reduziert sich dazu der Erregerfluss in d-Richtung und damit die induzierte, elektromotorische
Gegenspannung, wodurch dem Motor höhere Drehzahlen ermöglicht werden.
Die messbare Terminal-Induktivität LT eines 3-Phasenmotors berechnet sich mit den virtuellen Induktivitäten mit der in Figur 3 dargestellten Anordnung wie folgt: Hierbei beschreibt Θ den elektrischen Rotorlagewinkel des Rotors 7. Bei ausgeprägter Salienz schwingt die gemessene Terminal-Induktivität mit dem Cosinus des Lagewinkels zwischen 3/2 Ld und 3/2 Lq. Zur eindeutigen Erkennung der Rotorlage genügt danach eine zusätzliche Vorzeichenerkennung zur Unterscheidung der Intervalle 0 - π und π - 2ττ. Bei Messung der Terminal- Induktivität, zum Beispiel durch Aufmodellieren eines hochfrequenten Signals mit vorgegebener d/q-Orientierung auf die Statorspannungen und getrennter Ermittlung der resultierenden Phasenströme ld und lq, kann durch geeignete Iterationsverfahren die Mehrdeutigkeit des Cosinus hierzu auch ohne
zusätzlichen Sensor aufgelöst und somit eine geberlose
Rotorlagewinkelerkennung durchgeführt werden.
Figuren 4 und 5 zeigen ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 4 des Zweirads 1 , wobei Figur 4 die elektrische Maschine 4 in einer Schnittdarstellung und Figur 5 die elektrische Maschine in einer perspektivischen Darstellung zeigt.
Figur 4 zeigt die elektrische Maschine 4, die über das Getriebe 5 mit der Felge des Hinterrads 3 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 4 weist einen ortsfesten Stator 6 sowie einen drehbar gelagerten Rotor 7 auf. Der Rotor 7 weist einen Rückschlussring 9 auf, in welchem Permanentmagnete 8 speichenförmig mit alternierender Magnetisierungsrichtung angeordnet sind, so dass eine in
Statorrichtung wirksame Flusskonzentration erzeugt wird. Die
Permanentmagnete 8 sind insofern radial bezüglich der Rotationsachse des Rotors 7 ausgerichtet. Der Rotor 7 ist dabei derart ausgebildet, dass die
Permanentmagnete 8 mit ihren dem Stator zugewandten radialen Endflächen 13 und den von dem Stator abgewandten radialen Endflächen 14 radial freiliegend angeordnet sind. Die Permanentmagnete 8 sind somit radial nicht vom Material des Rückschlussrings 9 umgeben. Dadurch werden magnetische Streuflüsse verhindert. Der Rückschlussring 9 besteht in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel insofern aus einer Vielzahl von Rückschlussringsegmenten
12, die jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten 8 vorgesehen sind. Die Rückschlussringsegmente 12 können beispielsweise durch Verkleben mit den Permanentmagneten 8 jeweils verbunden sein. Um den Rückschlussring 9 konstruktiv zu stärken, ist es auch denkbar, zwischen benachbarten
Rückschlussringsegmenten 12 innenseitig und/oder außenseitig jeweils einen
Verbindungssteg vorzusehen, der die benachbarten Rückschlussringsegmente miteinander verbindet und dabei den jeweils dazwischen liegenden
Permanentmagneten radial überdeckt. Dabei ist darauf zu achten, dass zwischen den Permanentmagneten und den Verbindungsstegen jeweils ein Luftspalt beziehungsweise eine Lufttasche verbleibt, um magnetische Streuflüsse zu vermeiden beziehungsweise zu vermindern. Zweckmäßigerweise sind dabei die Verbindungsstege derart schmal ausgebildet, dass sie magnetisch schnell sättigen. Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete 8 als Ferrit-Magnete ausgebildet. Durch die gewählte Topologie mit beispielsweise zwölf Nuten und fünf Polpaaren wird ein mit 94% besonders hoher Wickelfaktor erreicht, der für die Zielanwendung im Zweirad 1 zu ausreichend geringen Rastmomenten führt.
Durch die vergrabene Anordnung der Permanentmagnete 8 im Material des Rückschlussrings 9 wird die zuvor beschriebene ausgeprägte Salienz der elektrischen Maschine 4 erreicht.
Figur 6 zeigt in dem Diagramm einen Vergleich der Differenz der Induktivitäten Ld-Lq bei Verwendung von Ferrit-Magneten (FM) und Seltene-Erde-Magneten (SEM) für die Permanentmagnete 8 über die Drehzahl n der elektrischen
Maschine 4. Durch die Verwendung der Ferrit-Magnete wird ein
Vorzeichenwechsel im Bereich des Übergangs vom Ankerstellbereich zum
Feldschwächenbetrieb erreicht. Durch die vergrabene Anordnung der
Permanentmagneten 8 ergibt sich, dass die Differenz der Induktivitäten (Ld-Lq) <0 ist. Da eine Vorkommutierung per Definition negative Phasenströme ld und positive Phasenströme lq erzeugt, ergibt sich für das Drehmoment der elektrischen Maschine im Feldschwächenbereich durch Vorkommutierung ein nutzbares, positives Zusatzmoment von (Ld-Lq)*ld*lq.
Im Ankerstellbereich weist die elektrische Maschine eine positive
Induktivitätdifferenz (Ld-Lq)>0 auf, was die Nutzung eines signifikanten Reluktanz- Moments durch Nachkommutierung ermöglicht. Dies kann sowohl zur
Verbesserung des Wirkungsgrades in diesem Bereich genutzt werden, als auch zum Erreichen einer Boost-Leistung über nominaler Auslegung, zum Beispiel zum Auffahren auf eine Bordsteinkante. Wie bereits erwähnt ist die elektrische Maschine 4 durch ein Getriebe 5 mit der
Felge beziehungsweise dem Hinterrad 3 in radnaher beziehungsweise radfester Anordnung verbunden. Durch die vorgeschlagene Motor-Topologie wird eine geringe Baugröße der elektrischen Maschine 4 mit annähernd quadratischem Längsschnitt ermöglicht, die eine problemlose Integration eines Stirnradgetriebes erlaubt. Prinzipiell wäre auch die Ausbildung des Getriebes 5 als
Planetenradgetriebe denkbar, jedoch wird für diese Anwendung ein Stirnradgetriebe mit Zwischenwelle vorgeschlagen, da bei einem solchen mit vergleichbarem Bauraum mit erheblich geringerem Aufwand doppelt hohe Untersetzungen technisch robust dargestellt werden können. Das
Stirnradgetriebe mit Zwischenwelle bietet zudem die notwendige Entkopplung zwischen eingeleiteten Radkräften des Fahrzeugs vom Pfad der
Drehmomentübertragung.
Das Getriebe 5 kann schaltbar mehrgängig ausgelegt werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine zweistufig schaltbare Ausführung des Getriebes 5. Die Einbringung eines Freilaufs für den einfachen Rollbetrieb des Zweirads 1 ist ebenso möglich wie die in beide Richtungen wirksame Verzahnung, welche die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht.
Der trotz Integrationsmöglichkeit immer noch modulare Aufbau des
Antriebssystems des Zweirads 1 erlaubt auch die Verwendung der elektrischen
Maschine in anderen Aufbauvarianten des Zweirads 1 , wobei die elektrische Maschine 4 auch mit anderen Kennungswandlern verbunden und auch in rahmenfester Montage vorgesehen werden kann. Bei einer rahmenfesten Montage könnte die elektrische Maschine 4 über ein entsprechendes Getriebe oder einen Zugmitteltrieb mit dem Antriebsrad 3 verbunden sein.
Figur 7 zeigt die in Figur 1 bereits angedeutete radfeste Montage der
elektrischen Maschine 4 an dem Hinterrad 3 beziehungsweise an dessen Felge. Figur 7 zeigt die Ausbildung des Antriebssystems des Zweirads 1 mit der elektrischen Maschine 4 und dem integrierten Getriebe 5, die direkt mit einer
Einarmschwinge 10 des Zweirads verbunden sind. Die Leistungselektronik der elektrischen Maschine 4 ist vorteilhafterweise in der Einarmschwinge 10 integriert und nutzt diese als Kühlelement beziehungsweise als Kühlfläche. Bei geänderter Anordnung von elektrischer Maschine 4 und Getriebe 5 zueinander ist natürlich auch die Integration in eine Zweiarmschwinge denkbar.
Die vorgeschlagene Topologie der elektrischen Maschine 4 führt in Verbindung mit dem integrierten Getriebe 5 zu so hohen Wirkungsgraden und damit zu so geringen Verlustleistungsdichten, dass auf Kühlrippen an der elektrischen Maschine 4 selbst verzichtet werden kann, wodurch dem Design der Einarmschwinge oder Zweiarmschwinge erhebliche Freiheitsgrade eingeräumt werden.
Die Antriebseinheit, wie sie in Figur 7 dargestellt ist, erfüllt in der hier vorgestellten Form durch Kombination der Motor-Topologie mit hoher Salienz und dem darauf angepassten Ansteuerverfahren mittels Vorkommutierung und Nachkommutierung, die Anforderungen an einen Antrieb in minimaler
Komplexität, der sich insbesondere zum Einsatz als radnaher Antrieb des elektrisch betriebenen Zweiradfahrzeugs 1 eignet. Durch diese Topologie lässt sich beispielsweise ein Betriebsspannungsbereich unterhalb von 60 Volt mit fahrtwindgekühlten Seltene-Erde-freien Motoren mit einer Leistung bis beispielsweise vier Kilowatt mit weniger als fünf Kilogramm aktiver Masse realisieren. Durch die Vorkommutierung in einem Synchronbetrieb der elektrischen Maschine im Feldschwächebereich wird das zusätzliche
Reluktanzmoment erzeugt. Durch Nachkommutierung im Synchronbetrieb im Ankerstellbereich wird gleichfalls ein zusätzliches Reluktanzmoment zur Erhöhung des Drehmoments genutzt.

Claims

Elektrisch angetriebenes Zweirad (1) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (4) , die einen ortsfesten Stator (6) und einen drehbar gelagerten Rotor (7) aufweist, wobei der Rotor (7) einen Rückschlussring (9) mit einer Vielzahl daran über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten
(8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete speichenförmig mit alternierender tangentialer Magnetisierung in dem Rückschlussring (9) angeordnet sind.
Zweirad nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die dem Stator (6) zugewandten radialen Endflächen (13) der Permanentmagnete (8) zumindest im Wesentlichen freiliegen.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die von dem Stator abgewandten radialen
Endflächen (14) der Permanentmagnete (8) zumindest im Wesentlichen freiliegen.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein zwischen benachbarten Permanentmagneten (8) befindliches Rückschlussringsegment (12) des Rückschlussrings (9) bündig zumindest mit den dem Stator (6) zugewandten Endflächen (13) der Permanentmagneten (8) abschließt.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (8) Ferrit-Magnete sind.
Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (8) in dem Rückschlussring
(9) in Umfangsrichtung gesehen vollständig mit Material des
Rückschlussrings (9) bedeckt sind.
7. Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Maschine (4) und einem Antriebsrad (3) des Zweirads (1) ein Getriebe (5), insbesondere ein
Stirnradgetriebe oder Planetenradgetriebe geschaltet ist.
8. Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik der elektrischen Maschine (4) in einer das Antriebsrad (3) tragenden Einarmschwinge (11) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Betreiben eines Zweirads (1), das nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (4) mit einer Vorkommutierung oder einer Nachkommutierung zur Erzeugung eines Reluktanzmomentes angesteuert wird.
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